胡興定，白中科,2※

（1.中國地質(zhì)大學(xué)土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100083；　2.國土資源部土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100035）

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基于耕作半徑的采礦復(fù)墾區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)安置規(guī)模預(yù)測

胡興定1，白中科1,2※

（1.中國地質(zhì)大學(xué)土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100083；2.國土資源部土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100035）

摘要：耕作半徑對農(nóng)村居民點(diǎn)的規(guī)模具有重要影響，而地形則是耕作半徑的決定因素之一。該文采用耕聚比和緩沖區(qū)分析的方法，對比采礦前后農(nóng)村居民點(diǎn)的耕作半徑變化。考慮研究區(qū)地形起伏的影響，計(jì)算耕作半徑地形修正系數(shù)，確定最優(yōu)耕作半徑。在此基礎(chǔ)上預(yù)測礦區(qū)復(fù)墾后可安置農(nóng)村居民點(diǎn)的面積、數(shù)量及人口。研究結(jié)果表明：平朔復(fù)墾區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)耕作半徑地形修正系數(shù)為1.6836，復(fù)墾區(qū)規(guī)劃農(nóng)村居民點(diǎn)最優(yōu)耕作半徑為1 500 m；復(fù)墾區(qū)預(yù)測回遷安置農(nóng)村居民點(diǎn)總規(guī)模約651.24 hm2，共67個(gè)農(nóng)村居民點(diǎn)；預(yù)測單個(gè)農(nóng)村居民點(diǎn)面積9.72 hm2，控制耕地面積約109.68 hm2；預(yù)測回遷安置總?cè)丝诩s29 521人，共7 380戶，該研究結(jié)果可為露天采礦復(fù)墾區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)回遷安置規(guī)模與布局提供決策支持。關(guān)鍵詞：土地利用；復(fù)墾；采礦；耕作半徑；農(nóng)村居民點(diǎn)；搬遷；安置

胡興定，白中科. 基于耕作半徑的采礦復(fù)墾區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)安置規(guī)模預(yù)測[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32（3）：259－266. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.03.038http://www.tcsae.org

Hu Xingding, Bai Zhongke. Prediction for relocation scale of rural settlements based on farming radius in reclamation area of open-pit coal mine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(3): 259－266. (in Chinese with English abstract)doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.03.038http://www.tcsae.org

Email：huxingding1992@126.com

0　引　言

國外礦區(qū)土地復(fù)墾研究注重復(fù)墾對土壤性狀、生物多樣性、景觀的影響，例如研究在巖土層上覆蓋粉煤灰用于改善土壤理化性質(zhì)[1]，對比自然表土覆蓋復(fù)墾和非表土覆蓋復(fù)墾的土壤差異性[2]，評價(jià)和監(jiān)測復(fù)墾后土壤質(zhì)量變化[3-5]和土壤生產(chǎn)力狀況[6]；探討不同復(fù)墾時(shí)序下的土壤結(jié)構(gòu)的變化[7]和不同的復(fù)墾模式[8]，討論不同復(fù)墾模式下對地表生物多樣性結(jié)構(gòu)的影響[9-10]，分析單一植被復(fù)墾類型對景觀和土地利用的影響[11]。國內(nèi)關(guān)于礦區(qū)復(fù)墾地研究的內(nèi)容基本一致，側(cè)重點(diǎn)卻有所差異，但二者對農(nóng)村居民點(diǎn)安置搬遷、回遷問題卻鮮有研究。

農(nóng)村居民點(diǎn)是農(nóng)業(yè)勞動(dòng)者進(jìn)行經(jīng)濟(jì)、政治、社會(huì)和文化等活動(dòng)而聚集的定居場所[12-13]，是農(nóng)村人地關(guān)系的表現(xiàn)核心，也是農(nóng)戶生產(chǎn)和生活的承載體[14]。農(nóng)村居民點(diǎn)作為農(nóng)村的基本地域單元，既是新農(nóng)村建設(shè)的重要對象，也是城鄉(xiāng)統(tǒng)籌發(fā)展的助推器[15]。農(nóng)村居民點(diǎn)空間分布，反映了一定自然地理?xiàng)l件下和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展下農(nóng)村居民居住活動(dòng)[16-17]。農(nóng)村居民點(diǎn)的分布受到地形地貌和土地利用方式的影響，同時(shí)也受到耕作半徑的影響。耕作半徑可以直接反映農(nóng)村土地利用的人－地關(guān)系。耕作半徑通常包括時(shí)間半徑和空間半徑，前者指從農(nóng)村居民點(diǎn)步行至耕地的時(shí)間，后者指所走的路程（空間距離），近年來耕作半徑多以空間半徑表示[18]。合理的耕作半徑是提高農(nóng)耕效率的關(guān)鍵，而耕作半徑的形成是農(nóng)村聚落與土地利用長期相互作用的結(jié)果。唐麗靜等[19]、角媛梅等[20]在研究農(nóng)村居民點(diǎn)空間布局優(yōu)化中，將耕作半徑作為主要影響因素之一。楊慶華等[21]在研究耕地資源分布狀況中，引入耕作半徑指標(biāo)進(jìn)行定量化描述。此外，在對農(nóng)村區(qū)域其他方面問題進(jìn)行的研究中，也考慮耕作半徑的影響。在農(nóng)村居民點(diǎn)選址和中心村研究中，蔚霖等[22]認(rèn)為耕作半徑間接地影響中心村的布局和村鎮(zhèn)住區(qū)的選址[23]；李小建等[24]依據(jù)耕作半徑對平原村莊農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域進(jìn)行了研究，結(jié)果指出距離對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)位的選擇具有重要影響；劉艷芳等[25]認(rèn)為，最大耕作半徑范圍應(yīng)不超過2.5 km，在城鄉(xiāng)建設(shè)用地增減掛鉤項(xiàng)目中，有些區(qū)域可將適宜耕作半徑的上限調(diào)整為3.2 km[19]；在村鎮(zhèn)選址中通過對現(xiàn)階段中國村莊的耕作半徑調(diào)查，吳得文等[23]認(rèn)為從農(nóng)村居民點(diǎn)到下地勞動(dòng)步行時(shí)間以不超過20 min（約2 km）為宜；金明麗等[26]在山區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)還耕可行性實(shí)地調(diào)查中，得到最理想的耕作半徑應(yīng)不大于1 km；角媛梅等[20,27]利用“均等”法計(jì)算農(nóng)村居民點(diǎn)耕作半徑，認(rèn)為當(dāng)農(nóng)村居民點(diǎn)在一定緩沖區(qū)距離內(nèi)的面積等于農(nóng)村居民點(diǎn)控制的耕地面積時(shí)，農(nóng)村居民點(diǎn)緩沖區(qū)距離即為農(nóng)村居民點(diǎn)的耕作半徑。雖然目前很多研究已將耕作半徑作為影響農(nóng)村居民點(diǎn)布局和安置的重要因素，但最優(yōu)的耕作半徑尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。另一方面，現(xiàn)有耕作半徑計(jì)算多以空間半徑為依據(jù)，而空間半徑計(jì)算中尚未考慮地形對空間半徑的影響，即在地形起伏較大區(qū)，地表實(shí)際耕作半徑大于計(jì)算的空間半徑。

本文以山西省平朔礦區(qū)為研究區(qū)，比較采礦前后礦區(qū)內(nèi)農(nóng)村居民點(diǎn)耕作半徑的變化；為提高計(jì)算耕作半徑的準(zhǔn)確性，充分考慮地形對耕作半徑的影響，提出耕作半徑地形修正系數(shù)，并參考地形起伏度相關(guān)研究成果，確定能夠反映研究區(qū)整體地形起伏情況的最佳統(tǒng)計(jì)單元并計(jì)算修正系數(shù)；進(jìn)而計(jì)算復(fù)墾區(qū)回遷安置農(nóng)村居民點(diǎn)的最優(yōu)耕作半徑（空間半徑）；在此基礎(chǔ)上利用耕聚比，在滿足耕地占補(bǔ)平衡的要求下預(yù)測礦區(qū)復(fù)墾后農(nóng)村居民點(diǎn)回遷面積、數(shù)量和人口，以期為未來采礦復(fù)墾區(qū)進(jìn)行土地利用、農(nóng)村居民點(diǎn)再安置提供依據(jù)。

1　研究區(qū)概況

平朔礦區(qū)位于山西省朔州市境內(nèi)，地處黃土丘陵溝壑區(qū)，生態(tài)環(huán)境極其脆弱。該礦區(qū)是現(xiàn)代化的大型露天礦，介于112°17′～112°26′E，39°24′～39°32′N之間，南北長23 km，東西寬22 km，面積380 km2，主要包括3個(gè)露天礦和3個(gè)井工礦（圖1），具有煤層厚、煤質(zhì)好、煤層埋藏淺、地質(zhì)構(gòu)造簡單的特點(diǎn)。平朔露天礦的開采，對當(dāng)?shù)氐牡匦蔚孛苍斐闪藲缧缘钠茐?，?yán)重影響生態(tài)環(huán)境，分布在礦區(qū)內(nèi)及其周圍的農(nóng)村居民點(diǎn)是生態(tài)破壞和環(huán)境污染的直接受體。截止到2013年，受采礦直接影響的村莊有61個(gè)。自1987年開始采礦至2013年6月，已有14個(gè)農(nóng)村居民點(diǎn)完成搬遷，涉及人口8 400余人，安置區(qū)位于平魯新村，距離耕作區(qū)約10 km。由于露天采礦工藝的特殊性，已形成人工堆墊地貌，即排土場，部分排土場已完成復(fù)墾，土地利用方式以耕地、林地和草地；已復(fù)墾為耕地的區(qū)域，大多處于棄耕的狀態(tài)，復(fù)墾區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)分布少，部分地區(qū)甚至無農(nóng)村居民點(diǎn)分布；在復(fù)墾區(qū)進(jìn)行耕作，農(nóng)戶多數(shù)從安置新村駕駛機(jī)動(dòng)車下地，居住區(qū)與耕作區(qū)距離十幾公里，給農(nóng)戶進(jìn)行耕作帶來了不便。

圖1　研究區(qū)示意圖Fig.1　Sketch map in study area

2　數(shù)據(jù)與研究方法

2.1數(shù)據(jù)來源

本研究采用美國陸地衛(wèi)星1986年LANDSAT 5（分辨率30 m）和2013年SPOT 6（分辨率6 m）多光譜遙感影像。采用面向?qū)ο蠓诸惙椒?，利用eCognition8.7軟件對期影像進(jìn)行簡單的土地利用分類，土地利用類型主要包括耕地、林地、草地、農(nóng)村居民點(diǎn)、裸地、采礦用地和水域。通過調(diào)查訪問獲得平朔礦區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)搬遷安置現(xiàn)狀數(shù)據(jù)；從中煤平朔集團(tuán)獲取2013年平朔礦區(qū)礦權(quán)界線；利用GIS技術(shù)生成2013年平朔礦區(qū)數(shù)字高程數(shù)據(jù)，精度10 m。

2.2技術(shù)路線

本文在數(shù)據(jù)獲取的基礎(chǔ)上進(jìn)行農(nóng)村居民點(diǎn)緩沖區(qū)分析，比較采礦前后農(nóng)村居民點(diǎn)耕作半徑的變化情況；通過分析農(nóng)村居民點(diǎn)耕作半徑，確定研究區(qū)最優(yōu)耕作半徑；分析地形起伏對研究區(qū)耕作半徑的影響，計(jì)算耕作半徑地形修正系數(shù)，確定研究區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)回遷安置的最佳耕作半徑（空間半徑）；利用“耕地聚落比”和金其銘提出的人均耕地、人口數(shù)量和耕作半徑三者的關(guān)系式[28]，預(yù)測平朔礦復(fù)墾區(qū)未來可安置農(nóng)村居民點(diǎn)的規(guī)模。技術(shù)路線如圖2所示。

圖2　技術(shù)路線Fig.2　Technical route

2.3緩沖區(qū)分析

本研究利用ArcGIS10.0軟件平臺(tái)，以平朔礦區(qū)1986年和2013年農(nóng)村居民點(diǎn)為中心創(chuàng)建緩沖區(qū)，以500 m為梯度進(jìn)行緩沖區(qū)分析。在緩沖區(qū)分析過程中，分別統(tǒng)計(jì)各梯度范圍內(nèi)的耕地面積，從而可知農(nóng)村居民點(diǎn)的最大耕作半徑以及特定耕作半徑下的耕地面積。通過緩沖區(qū)分析，比較采礦前后耕作半徑的變化，結(jié)合已有確定最優(yōu)耕作半徑的相關(guān)成果，確定該采礦復(fù)墾區(qū)在實(shí)施農(nóng)村居民點(diǎn)回遷安置時(shí)的耕作半徑。

2.4耕作半徑地形修正系數(shù)

2.4.1最優(yōu)統(tǒng)計(jì)單元的確定方法

平朔礦位于黃土丘陵溝壑區(qū)，地形起伏度較大，緩沖區(qū)分析得到的空間耕作半徑與實(shí)際受地形影響的耕作半徑具有較大的差異，所以在分析礦區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)空間耕作半徑時(shí)，必須對其進(jìn)行修正。地形起伏度在一定程度上可以反映出區(qū)域地形起伏變化，并且近年來已得到廣泛應(yīng)用[29-31]，計(jì)算地形起伏度的關(guān)鍵問題是確定能夠反映研究區(qū)地形起伏情況的最佳統(tǒng)計(jì)單元[32]。有研究結(jié)果表明，地形起伏度隨統(tǒng)計(jì)單元面積的變化呈邏輯斯蒂克曲線，最佳統(tǒng)計(jì)單元位于該曲線由陡變緩處[33-35]，而較為準(zhǔn)確、有效的確定方法是數(shù)理統(tǒng)計(jì)中的均值變點(diǎn)法，故本文也采用此方法確定計(jì)算地形起伏度的最佳統(tǒng)計(jì)單元[33]。

2.4.2地形位置參數(shù)和耕作半徑地形修正系數(shù)

在計(jì)算地形位置參數(shù)時(shí)，關(guān)鍵在于確定最佳統(tǒng)計(jì)單元，統(tǒng)計(jì)單元既具有區(qū)域代表性和普遍性，又能夠反映研究區(qū)整體地形起伏狀況；若鄰域范圍選擇太小，則系數(shù)值變化不明顯，不能真實(shí)反映整體地形變化情況，若鄰域范圍選擇太大，則不能反映局部地形變化。本文運(yùn)用地形起伏度研究的相關(guān)成果，采用均值變點(diǎn)法確定地形起伏度計(jì)算的最佳統(tǒng)計(jì)網(wǎng)格單元。在最佳統(tǒng)計(jì)單元的基礎(chǔ)上計(jì)算地形位置參數(shù)TPIim和耕作半徑地形修正系數(shù)Km，公式如下

式中TPIim表示DEM數(shù)據(jù)中像元i在鄰域m范圍內(nèi)的地形位置參數(shù)，反映該點(diǎn)地形與周邊地形起伏關(guān)系，m；hi表示DEM數(shù)據(jù)中像元i的高程值，m；him表示DEM數(shù)據(jù)中像元i在鄰域m范圍內(nèi)高程值的平均值（不包含像元i高程值本身），m。由式（1）可知，若TPIim＞0，則表示該點(diǎn)在鄰域范圍內(nèi)表現(xiàn)為高點(diǎn)（地形凸起）；若TPIim＜0，則表示該點(diǎn)在鄰域范圍內(nèi)表現(xiàn)為低點(diǎn)（地形凹陷）。

通過GIS技術(shù)緩沖區(qū)分析得到未來復(fù)墾區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)安置規(guī)劃的最優(yōu)實(shí)際耕作半徑，由于受地形地貌的影響，緩沖區(qū)分析的結(jié)果只能反映農(nóng)村居民點(diǎn)到耕作區(qū)的空間距離，與實(shí)際距離存在較大的偏差，因此必須對該半徑進(jìn)行修正，使計(jì)算結(jié)果更為精確。本文提出耕作半徑地形修正系數(shù)，通過該系數(shù)對耕作半徑進(jìn)行修正，使耕作半徑與實(shí)際距離接近一致。本文引用地形位置參數(shù)的計(jì)算方法確定耕作半徑修正系數(shù)值，即利用某像元領(lǐng)域范圍內(nèi)高程的平均值與其自身高程的差值來確定耕作半徑的變異程度，如式（2）所示

式中Km表示鄰域m范圍內(nèi)耕作半徑地形修正系數(shù)值；Ci表示像元i的大小，m；n表示研究區(qū)域內(nèi)的總像元數(shù)。

則實(shí)際耕作半徑修正公式為

2.5利用耕聚比預(yù)測農(nóng)村居民點(diǎn)安置規(guī)模

金其銘[27]提出耕作半徑與人均耕地、人口數(shù)量的關(guān)系公式（式（4）），利用耕地面積與聚落面積的比值（簡稱耕聚比）反映耕地面積與農(nóng)村居民點(diǎn)面積的關(guān)系（式（5））。

式中N表示單個(gè)農(nóng)村居民點(diǎn)人數(shù)；M表示單個(gè)農(nóng)村居民點(diǎn)人均耕地?cái)?shù)量，m2/人；β表示研究區(qū)的土地墾殖率（墾殖系數(shù)），即區(qū)域范圍內(nèi)耕地總面積與土地總面積的比值，土地復(fù)墾工作必須以保護(hù)耕地為主要目標(biāo)，確保耕地占補(bǔ)平衡，因此研究區(qū)未來復(fù)墾區(qū)土地墾殖率不得低于采礦前的土地墾殖率，即耕地復(fù)墾率大于或等于100%；R表示預(yù)測的單個(gè)農(nóng)村居民點(diǎn)空間耕作半徑，m；G表示研究區(qū)內(nèi)單個(gè)農(nóng)村居民點(diǎn)耕作面積與聚落面積的比值即耕聚比，由于研究區(qū)自然地理環(huán)境類似、區(qū)域較小且原始單個(gè)農(nóng)村居民點(diǎn)數(shù)據(jù)獲取有限，因此采用該區(qū)域總體的耕聚比作為研究區(qū)的單個(gè)農(nóng)村居民點(diǎn)耕聚比；J表示單個(gè)農(nóng)村居民點(diǎn)面積，hm2。

根據(jù)式（4）和式（5）可推算出單個(gè)農(nóng)村居民點(diǎn)面積與其空間耕作半徑的關(guān)系（式（6））。如果通過規(guī)劃設(shè)計(jì)確定了復(fù)墾區(qū)未來回遷安置農(nóng)村居民點(diǎn)的空間耕作半徑，利用式（6）則可預(yù)測農(nóng)村居民點(diǎn)安置規(guī)模。

3　結(jié)果與分析

3.1土地利用現(xiàn)狀分析

利用面向?qū)ο蠓诸惣夹g(shù)和GIS空間信息統(tǒng)計(jì)工具對1986年和2013年多光譜遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行解譯分類，其分類精度分別為0.86和0.92，高于0.85符合分類精度Kappa系數(shù)檢驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示。平朔礦區(qū)主要包括安太堡露天礦、安家?guī)X露天礦、東露天露天礦以及井工1號、2號、3號礦，面積約為16 807.54 hm2，從圖3可以看出，1986年平朔礦區(qū)尚未開采，采礦用地很少，不存在較大的水面；自1987年采礦至2013年，采礦用地比例增大，在安太堡內(nèi)排土場復(fù)墾區(qū)出現(xiàn)了水面，大量的耕地轉(zhuǎn)換為采礦用地或草地，土地利用類型見表1。

圖3　采礦前和采礦后平朔礦區(qū)土地利用類型圖Fig.3　Land use type in Pingshuo mining area before and after mining

表1　1986年和2013年平朔礦區(qū)土地利用類型面積統(tǒng)計(jì)Table 1　Areas statistics for land use type in Pingshuo mining area in 1986 and 2013

由表1可知，1986－2013年，平朔礦區(qū)受采礦影響，草地、耕地和農(nóng)村居民點(diǎn)面積均呈現(xiàn)減少趨勢，采礦用地、林地、裸地以及水體面積增加，采礦用地面積增加最多。隨著采礦的發(fā)展，采礦用地（包括工業(yè)場地、采礦運(yùn)輸?shù)缆泛偷V坑）增加，平朔礦區(qū)地處生態(tài)脆弱區(qū)，原地貌植被類型以荒草地和灌草地為主，采礦過程中，對排土場進(jìn)行復(fù)墾，種樹，因此1986－2013年，林地面積不減反增。由于露天采礦工藝的特殊性，隨著采礦進(jìn)度的推進(jìn)，實(shí)施剝—采—排—復(fù)一體化的采礦工藝，原地貌表土被剝離，所以裸地面積增加。在安太堡內(nèi)排土場復(fù)墾中新建水利設(shè)施，建立人工湖，水域面積增加。

3.2農(nóng)村居民點(diǎn)緩沖區(qū)分析

對1986年（采礦前）和2013年（采礦后）礦區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)分別進(jìn)行緩沖區(qū)分析，按梯度變化進(jìn)行耕地面積統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表2所示。

表2　1986年和2013年礦區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)緩沖區(qū)耕地面積統(tǒng)計(jì)Table 2　Area statistics for arable land in rural settlement buffer of mining area in 1986 and 2013

由表2可知，1986年研究區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)緩沖區(qū)范圍為0～3 000 m，因其范圍自然形成，受人為干擾影響不大，可作為未來復(fù)墾區(qū)安置農(nóng)村居民點(diǎn)時(shí)確定耕作半徑的依據(jù)。耕地在各梯度范圍內(nèi)均有分布，其所占耕地總面積的比例卻存在較大的差異。對1986年而言，耕地面積主要分布在0～500 m范圍內(nèi)，面積4 483.43 hm2，占耕地總面積的60.75%；在＞1 500～3 000 m范圍內(nèi)，耕地分布少，其面積僅占耕地總面積的5.03%。受采礦的影響，2013年礦區(qū)內(nèi)農(nóng)村居民點(diǎn)部分已經(jīng)完成搬遷安置工作，因此其分布數(shù)量和密度都有所降低，2013年農(nóng)村居民點(diǎn)緩沖區(qū)范圍為0～4 500 m，這比1986年礦區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)緩沖區(qū)范圍增大了1 500 m。與1986年相比，2013年礦區(qū)耕地分布較分散，主要聚集在＞0～1 000 m范圍內(nèi)，面積4 036.56 hm2，占耕地總面積的70.26%；在＞2 000～4500 m范圍內(nèi)，耕地分布少且不集中，僅占2013年耕地總面積的8.16%。對比可知，耕地分布在不同時(shí)期內(nèi)均呈現(xiàn)出相同的變化趨勢，即隨著緩沖區(qū)范圍的增大耕地面積呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢，1986年耕地分布較為集中且耕地距農(nóng)村居民點(diǎn)較近，受采礦的影響，2013年礦區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)與耕地的距離增大且耕地分布的聚集程度降低。

3.3最優(yōu)耕作半徑分析

采用1986年和2013年數(shù)據(jù)對比分析采礦對礦區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)的影響。1986年的礦區(qū)耕作半徑自然形成未受采礦擾動(dòng)影響，故依據(jù)此確定礦區(qū)未來采礦復(fù)墾區(qū)的耕作半徑。通過緩沖區(qū)分析可知，1986年自然狀態(tài)下形成的耕作半徑范圍為0～3 000 m，在0～1 500 m范圍內(nèi)的耕地占到耕地總面積的94.97%，而在＞1 500 m區(qū)域的耕地僅占到總量的5.03%，因此可將1 500 m作為該研究區(qū)內(nèi)自然狀態(tài)下形成的最優(yōu)空間耕作半徑。相關(guān)的研究結(jié)果表明，農(nóng)村居民點(diǎn)耕作半徑不應(yīng)過2 km[23]，金明麗等[26]通過調(diào)查認(rèn)為山區(qū)最理想的耕作半徑不超過1 km，所以1986年研究區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)的最優(yōu)耕作半徑存在一定的不合理性，其主要原因是受地形地貌的影響。角媛梅等[20,27]提出利用均等法計(jì)算平原地區(qū)的最優(yōu)耕作半徑，認(rèn)為受耕作條件和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平的限制，特定的農(nóng)村居民點(diǎn)所控制的耕地面積是有限的，由于研究區(qū)位于黃土丘陵溝壑區(qū)，故本文不采用此方法計(jì)算最優(yōu)耕作半徑。對于未來平朔復(fù)墾區(qū)，通過人工堆墊形成的地形地貌增加了耕地的連片程度，生產(chǎn)技術(shù)從傳統(tǒng)的畜耕方式向機(jī)械化作業(yè)轉(zhuǎn)變，可相應(yīng)地增加最理想的山地耕作半徑范圍，但也要保證耕作半徑不宜過大，故在對比分析現(xiàn)有的研究成果以及研究區(qū)實(shí)際耕作半徑范圍、充分考慮科技農(nóng)業(yè)對耕作半徑影響的基礎(chǔ)上，將1 500 m作為研究區(qū)未來安置農(nóng)村居民點(diǎn)時(shí)規(guī)劃的最優(yōu)實(shí)際耕作半徑。

3.4耕作半徑的修正系數(shù)分析

利用礦區(qū)2013年10 m精度的數(shù)字高程圖（DEM），分析研究區(qū)在不同統(tǒng)計(jì)單元下的地形起伏度變化情況，如表3所示。從表3可以看出，隨著統(tǒng)計(jì)單元網(wǎng)格的增大，高程差平均值呈現(xiàn)出先急劇增大、后逐漸緩慢增加的趨勢；而總離差平方和與兩段樣本的離差平方和之差的差值（S?Si）隨著統(tǒng)計(jì)單元網(wǎng)格的增大，呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律，當(dāng)統(tǒng)計(jì)單元為550 m×550 m時(shí)達(dá)到最大值。即研究區(qū)整體地形起伏度的最佳統(tǒng)計(jì)單元為550 m×550 m。

研究區(qū)反映地形起伏度的最佳統(tǒng)計(jì)單元為550 m×550 m，則耕作半徑地形修正系數(shù)Km鄰域m值為550 m，結(jié)合式（1）、（2）計(jì)算得出耕作半徑地形修正系數(shù)為K550=1.6836。依據(jù)未來復(fù)墾區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)回遷安置規(guī)劃的最優(yōu)實(shí)際耕作半徑為1 500 m，由式（4）可知，未來復(fù)墾區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)回遷安置規(guī)劃的最優(yōu)空間耕作半徑為891 m。

表3　不同統(tǒng)計(jì)網(wǎng)格單元下的地形起伏度及離差平方和之差Table 3　Statistics for relief amplitude and sum of squares of deviations in different grid units

3.5復(fù)墾區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)安置規(guī)模和人口數(shù)量預(yù)測

利用耕聚比預(yù)測復(fù)墾后農(nóng)村居民點(diǎn)安置規(guī)模，由公式（4）可知，N×M即為研究區(qū)內(nèi)單個(gè)農(nóng)村居民點(diǎn)的耕地總面積。依據(jù)耕地占補(bǔ)平衡的法律規(guī)定，平朔礦區(qū)耕地復(fù)墾率必須大于等于100%，本研究假設(shè)耕地復(fù)墾率為100%，即復(fù)墾后耕地面積等于采礦前（1986年）的耕地面積，則墾殖率K=0.44。G為采礦復(fù)墾區(qū)未來回遷安置農(nóng)村居民點(diǎn)的耕聚比，研究假設(shè)耕聚比保持采礦前（1986年）的水平且與農(nóng)村居民點(diǎn)總體耕聚比保持一致，則G=11.29。由式（6）可得J=9.72 hm2，故單個(gè)農(nóng)村居民點(diǎn)的面積為9.72 hm2，單個(gè)農(nóng)村居民點(diǎn)控制的耕地面積為109.68 hm2，因復(fù)墾后耕地總量保持不變，即7 380.23 hm2，故復(fù)墾區(qū)預(yù)計(jì)需要規(guī)劃農(nóng)村居民點(diǎn)數(shù)量為67個(gè)，農(nóng)村居民點(diǎn)總規(guī)模651.24 hm2。

本文參考《山西統(tǒng)計(jì)年鑒》、《中國城市統(tǒng)計(jì)年鑒》、《數(shù)字朔州：朔州建市20年回顧1989－2009》及《在改革開放中崛起:山西改革開放30年回顧1978－2007》相關(guān)數(shù)據(jù)可知，1984－2013年朔州市人均耕地面積0.25 hm2，以全市多年的人均耕地面積作為未來采礦復(fù)墾區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)回遷安置的人均耕地面積，由公式（4）預(yù)測可知，在復(fù)墾區(qū)預(yù)計(jì)可回遷安置人口總數(shù)約為29 521人，若按照4口之家計(jì)算，預(yù)計(jì)可安置農(nóng)戶7 380戶。

4　討　論

在耕作半徑計(jì)算過程中，提出耕地半徑地形修正系數(shù)并借助地形位置參數(shù)TPI計(jì)算修正系數(shù)值，是本文的創(chuàng)新點(diǎn)，同時(shí)參考地形起伏度相關(guān)研究成果和方法，確定了反映研究區(qū)地形起伏狀況的最佳統(tǒng)計(jì)單元，為計(jì)算耕作半徑地形修正系數(shù)選擇正確的鄰域范圍提供了可靠依據(jù)。本文計(jì)算的最優(yōu)耕作半徑與實(shí)際仍存在一定的差異，并且隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)交通運(yùn)輸條件的改善，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者可接受的耕作半徑范圍擴(kuò)大，影響最優(yōu)耕作半徑的確定。因此，在不同的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)交通運(yùn)輸條件下進(jìn)行耕作，其最優(yōu)耕作半徑的大小存在差異性。

此外，本研究仍存在許多不足，1）影響農(nóng)村居民點(diǎn)分布的因素很多，但本研究在預(yù)測復(fù)墾區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)安置規(guī)模時(shí)，只選取其中的一個(gè)主要影響因子即耕作半徑，僅從空間位置的角度考慮不夠全面；2）由于現(xiàn)階段仍未有一個(gè)確定最優(yōu)耕作半徑的公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)，本研究采用了累計(jì)耕地面積大于90%的最小空間距離作為最優(yōu)耕作半徑，是否合適仍需更進(jìn)一步研究；3）在計(jì)算耕作半徑地形修正系數(shù)時(shí)，鄰域范圍的選擇采用了地形起伏度研究中的確定最佳統(tǒng)計(jì)網(wǎng)格單元的方法，該方法是否適用于鄰域范圍的選擇仍是需要考慮的問題；4）本研究預(yù)測農(nóng)村居民點(diǎn)安置未考慮土地權(quán)屬改變對農(nóng)村居民點(diǎn)布局的影響，而是假設(shè)在開放性政策下，從空間土地利用最優(yōu)角度考慮農(nóng)村居民點(diǎn)安置，但現(xiàn)實(shí)中農(nóng)村土地的權(quán)屬位置會(huì)直接影響耕作半徑的范圍，因此復(fù)墾區(qū)回遷安置農(nóng)村居民點(diǎn)在政策上的可行性需要進(jìn)一步研究；5）本次研究是預(yù)測性研究，目前平朔礦區(qū)實(shí)際采礦面積不到礦權(quán)面積的一半，已復(fù)墾區(qū)域所占比例很小，因此平朔礦采礦結(jié)束后復(fù)墾區(qū)具體位置和大小現(xiàn)無法確定，導(dǎo)致回遷安置農(nóng)村居民點(diǎn)的空間位置不能具體落實(shí)。6）下一步研究可以從復(fù)墾區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)選址影響因素展開，重點(diǎn)分析在復(fù)墾區(qū)與非復(fù)墾區(qū)選址時(shí)考慮因素的差異性以及限制條件的不同，落實(shí)農(nóng)村居民點(diǎn)選址空間布局。

5　結(jié)　論

1）平朔礦區(qū)由于采礦的發(fā)展，使大量的耕地和農(nóng)村居民點(diǎn)面積減少，耕作半徑相比于采礦前擴(kuò)大了1 500 m，不利于農(nóng)戶進(jìn)行耕作；通過地形起伏度分析，確定了計(jì)算礦區(qū)地形起伏度值的最佳統(tǒng)計(jì)網(wǎng)格單元，即550 m×550 m，該單元具有區(qū)域代表性和普遍性；礦區(qū)由于受地形地貌的影響，其實(shí)際耕作半徑與空間半徑具有一定的誤差，引用地形位置參數(shù)計(jì)算耕作半徑修正系數(shù)值為1.6836，預(yù)測礦區(qū)最優(yōu)空間耕作半徑為891 m。

2）在保證原有耕地不減少，耕地總量占補(bǔ)動(dòng)態(tài)平衡的基礎(chǔ)上，為使復(fù)墾后耕地達(dá)到最有效利用，預(yù)測復(fù)墾區(qū)可回遷安置農(nóng)村居民點(diǎn)總規(guī)模651.24 hm2，農(nóng)村居民點(diǎn)數(shù)量67個(gè)，單個(gè)農(nóng)村居民點(diǎn)控制耕地規(guī)模109.68 hm2，預(yù)測復(fù)墾區(qū)未來可安置人口數(shù)量29 521人。

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Prediction for relocation scale of rural settlements based on farming radius in reclamation area of open-pit coal mine

Hu Xingding1, Bai Zhongke1,2※
(1. School of Land Science and Technology, China University of Geosciences, Beijing 100083, China; 2. Key Lab of Land Consolidation and Rehabilitation, the Ministry of Land and Resources, Beijing 100035, China)

Abstract:Mine reclamation has become a worldwide problem recently and has similar research directions both in China and abroad, including ecological restoration, mining technology, bioremediation technology, soil reconstruction techniques, soil quality testing, plant species selecting. The key target is to restore the ecological system and improve the environment. One of the main purposes of reclamation is to restore farmland, which is scarce in China. In addition, resettlement of residents and their living environment need to be taken into account. In this paper, the study area is the Pingshuo open-pit mine, which is located in Shuozhou City, Shanxi Province, China, and belongs to super-large open-pit mine with modern production. Mining activities began in 1987, and have lasted for 28 years until now. Fourteen rural settlements have moved, and resettlement population has reached 8400 by 2013. From the perspective of farming radius, buffer analysis of rural settlements was used to contrast the difference of farming radius before and after the open-pit mining by geographic information system (GIS) technology. Considering the impact of topography on farming radius, this paper calculated the terrain correction coefficient of farming radius in the study area using the achievements about relief amplitude, and the mean change-point analysis method was adopted to determine the best statistics grid unit to reflect terrain. Through buffer analysis, the result of spatial farming radius showed that the farming radius had a great change from 1986 to 2013 because of open-pit mining. Therefore, the best farming radius should be determined based on the result in 1986. Using the equation of farming radius, per capita arable land and the number of population were calculated through combining the method of “the ratio of arable land area to settlements land area ” Finally, optimal farming radius was determined according to the calculation result about the terrain correction coefficient and the scale of arable land. We predicted the size and number of rural settlements after completing reclamation. The results showed that: 1) Affected by mining, the farming radius has expanded by 1500 m from 1986 to 2013, and the largest farming radius was 4500 m; 2) Determining the optimal statistics grid unit to calculate the value of relief amplitude, the result showed that 550 m × 550 m was the optimal statistics grid unit to reflect terrain in study area; 3) Based on the buffer analysis, digital elevation map neighbourhood analysis and forecasting, the terrain correction coefficient of farming radius was 1.6836, and the optimal actual farming radius was 1500 m, and therefore, the optimal spatial farming radius was 891 m. 4) On the premise of guaranteeing the arable land quantity unchanged, the total area of relocated rural settlements was about 651.24 hm2, and there were 67 rural settlements in total. Individual rural settlement area was predicted to be 9.72 hm2, and the control area of arable land was about 109.68 hm2. 5) The total relocated population would be about 29521 (7380 families). The results of this study can provide the reference for the implementment of relocating rural settlements and the reuse of reclaimed arable land in Pingshuo mining area.

Keywords:land use; reclamation; mining; farming radius; rural settlements; removal; placement

通信作者：※白中科，男，山西運(yùn)城人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事土地整理復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)、環(huán)境影響評價(jià)研究工作。北京中國地質(zhì)大學(xué)（北京）土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，100083。Email：Baizk@cugb.edu.cn。中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)會(huì)員：白中科（E041200374S）。

作者簡介：胡興定，男（土家族），湖南張家界人，土地整治與生態(tài)恢復(fù)。北京中國地質(zhì)大學(xué)（北京）土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，100083。

基金項(xiàng)目：2012年山西省重大科研專項(xiàng)課題（20121101007）；“2014全國生態(tài)修復(fù)研究生論壇”指導(dǎo)與資助

收稿日期：2015-03-16

修訂日期：2015-12-11

中圖分類號：F301.24

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1002-6819(2016)-03-0259-08

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.03.038